深潜：量子计算和区块链的未来

量子计算会破坏区块链还是让它更安全？

1. 写在前面

谈到计算的未来量子计算比特币，区块链和量子计算是两个最受关注和争议的行业。虽然区块链在加密货币和密码学的现实应用中遥遥领先，但量子计算行业也在快速增长，预计从 2022 年到 2027 年，该行业将以 25% 的年增长率增长。

一些专家认为，量子计算的进步可能会进一步推动区块链的终结：由于量子计算机可以破解最先进的区块链加密，因此它将在未来取代区块链，成为一种更先进的数据保护方式。

区块链加密和量子计算也经常被绑定为密码学的比较，比较量子计算机能否快速发展以破解区块链加密，或者密码学家是否可以加速开发安全解决方案以超越量子计算，从而保护区块链加密免受量子黑客攻击。

但是，量子计算和区块链之间的关系并不一定是对抗性的。一些研究人员认为，量子计算和区块链技术最终将融合成新技术，创造出更快、更安全的革命性计算解决方案，并有助于解决各种问题。

2. 什么是量子计算？它与区块链有何不同？

对于外行来说，量子计算是一种独特的计算类型，它利用“量子态”来解决通常需要普通超级计算机无法解决的难以置信的计算机处理能力的逻辑问题。量子计算机不再像传统的超级计算机那样逐个分析问题，而是可以同时分析大量潜在问题。这些计算机使用量子物理学原理以极快的速度将错误答案的数量降至最低，同时以惊人的速度给出正确答案。

当前的计算机，通常被称为经典计算机，由传统的位 1 或 0 组成，而不是同时包含两者。另一方面，量子计算机由量子比特组成，量子叠加允许比特的两种状态同时存在。此外，与传统位不同，量子位可以在量子纠缠过程中相互作用，为整个计算系统创造一个大的量子态。每增加一个量子位，计算机的潜在状态数量就会增加一倍，与经典计算机相比，计算机具有巨大的计算能力。

除了解决高度复杂的问题外，量子计算还有改变加密世界的潜力。量子物理学和量子状态的特性决定了特定信息的实际状态在受到干扰时会发生变化。因此，理论上，量子加密是牢不可破的，因为任何信息状态，如果被窃听者（或机器）查看，都会发生不可逆转的变化。然而，正如量子计算可以创建强大的加密一样，它也有可能打破以前无法破解的加密形式，从而与区块链的存在产生潜在的冲突。

像 IBM 这样的公司，目前正在使用量子计算机来解决各种问题，例如为电动汽车开发更高能量密度的电池、减少碳排放的清洁材料，甚至寻找可以揭示宇宙起源的粒子.

▲ 量子计算使用

与量子计算相比，区块链是一种分布式账本技术，通过密码学创建的信息账本一旦经过一系列分布式计算机（节点）验证就无法有效改变。区块链使用各种共识机制——分布式节点网络，通过“验证”信息块添加到区块链中。区块链完全属于经典计算领域，这意味着区块链只会在某个时间点处于单一状态。

正如业内所描述的，区块链技术是通过自动执行智能合约创建分布式应用程序的绝佳工具，包括数字货币、物流和记录保存协议以及各种金融产品。

然而，由于网络的限制，区块链可能无法解决高层次的计算问题。当前区块链最大的问题是交易速度慢，新的区块链正在竞相提供高效交易的解决方案。相比之下，量子计算在解决一些大而棘手的科学问题方面具有巨大潜力，但不一定是创建消费者应用程序的好工具。

因此，可以肯定地说，量子计算和区块链是两种截然不同的技术，它们之间的相互作用可能会深刻改变这两个行业。

3. 量子计算会颠覆区块链并终结加密货币吗？

德勤的一项研究表明，一次攻击可能会窃取 25% 的比特币，到 2022 年 1 月，被盗金额已达到 3000 亿美元。数亿美元，借助量子计算的力量，黑客有可能摧毁整个区块链在未来造成全球经济混乱的同时。

具体来说，目前主流的量子计算机还没有开发出 Shor 函数的功能。Shor函数通过量子计算机实现时，理论上可以求解椭圆曲线乘法目前隐藏的素因数，也就是哈希的乘法。形式量子计算比特币，目前几乎不可能反转（即找到相乘形成私钥的原始数字）。

例如，研究人员计算出，使用经典计算机计算和椭圆曲线乘法，确定公钥对应的私钥需要 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 次基本运算，相当于数千年。

同等条件下，一台使用 Shor 函数的量子计算机只需要 2,097,152 次基本运算，相当于只需要几个小时。

除了量子计算破解区块链加密的能力之外，另一个担忧是量子计算机可能会取代传统计算机进行加密货币挖掘。正如理论所说，如果这些计算机能够以超快的计算能力比传统的挖矿设备（如 ASIC）更快地挖矿，这将导致 PoW 共识类型的区块链资产价格不稳定、51% 攻击和矿权的极端中心化。 .

尽管存在这些基于数据的担忧，但并非所有专家都相信量子计算将能够在未来有效地破解区块链并取代传统密码学。例如，一些人认为比特币中使用的 SHA-256 加密具有潜在的抗量子性，即使量子计算机能够破解当前的区块链加密方法，也可能需要 10 到 20 年，这使得新的区块链密码学家正在引领采用新的、更强大的加密方法。

此外，椭圆曲线加密最常见的替代方案 RSA 加密也可能具有一定的量子抗性。虽然椭圆曲线加密被认为比传统解密的 RSA 加密更安全，但专家认为量子解密的情况恰恰相反。此外，即使 RSA 最终成为“可破解的量子”，软分叉和更改钱包地址也可以减少量子计算机破坏区块链或窃取加密货币的大部分可能性。

4. 量子计算能否与未来的区块链集成或增强？

虽然有些人认为量子计算可能会破坏区块链和加密货币，但其他人认为量子加密可以与区块链相结合，创建比当今协议更安全的区块链，理论上可以针对传统的黑客攻击和加密货币制定对策。量子计算机以强大的防御能力攻击区块链。

研究人员认为，传统的区块链密码学方法（例如利用上述椭圆曲线乘法的非对称密钥算法和哈希函数）可以被量子密钥取代。

量子密钥密码术，也称为量子密钥分发 (QKD)，通过在光链路上以光子的形式发送光的“量子粒子”来运行。正如我们前面提到的，任何干扰操作都会使交易失效（例如窃听者查看正在传输的光子）。为了实际有效使用，这些量子密钥需要与一次性密码（OTP）加密一起使用，以生成只能使用一次的密钥。

李春堂、徐银松、唐家豪、刘文杰在《量子计算学报》上发表的题为“Quantum Blockchain: Decentralized, Encrypted and Distributed Databases based on Quantum Mechanics”的论文详细阐述了量子计算应用到区块链的优势，特别是节点选择的随机化，量子区块链协议可以替代目前的随机化方式，使用量子随机数发生器来选择验证者节点，将有效解决当前区块链随机化问题。

该论文认为，量子区块链也有可能用一种新型的量子密码拜占庭协议取代经典的拜占庭协议。虽然只是理论上的，但如果实现，它可以创建一种新的、高度安全的基于量子加密的加密货币，同时有助于抵抗 51% 的攻击。

虽然上述大部分内容都是指创建新的量子区块链，但量子技术也可能应用于现有区块链以增加去中心化，并缩短比特币、以太坊和 Solana 等主要区块。链的交易时间。

实际应用中需要解决的问题是如何让节点算子获得量子计算和量子密钥生成功能。目前，大多数量子计算机由于价格高昂，仅限于实验阶段，这意味着难以与大量节点运营商一起操作。但我们相信情况会进一步好转，深圳一家科技公司推出了一款小型量子计算机，其成本仅为 5,000 美元，远低于目前运行完整的以太坊节点所需的成本。

5. 什么是抗量子账本？

目前，有两个公链项目号称完全抗量子，抗量子账本和后量子比特币。Quantum Resistant Ledger (QRL) 自称是“具有状态签名方案的最安全的后量子安全区块链”。

QRL 协议使用“IETF 指定的 XMSS，一种基于散列的前向安全签名方案，几乎没有安全假设。” XMSS 利用 Merkle 树（哈希树）的扩展 Merkle 签名方案。基于状态的哈希签名方案（例如 Merkle 签名）被认为比 RSA 或椭圆曲线密码学更能抵抗量子黑客攻击。但是，如果密钥被多次使用，基于散列状态的签名方案（如 XMSS）预计会很容易受到攻击，这与其他密码学相比是一个缺点。

目前，美国国家标准与技术研究院（NIST）计算机安全资源中心正在积极开展除 XMSS、NIST 等 70 种“后量子密码学”加密技术的研究，并希望评估该技术的性能。用于民用。以及政府的优缺点。

抗量子账本声称其“扩展”的 Merkle 签名方案比传统的 Merkle 签名方案更高效、更安全，但如果没有真正高效的量子计算机破解它，这很难证明。

除了 QRL 项目，另一个区块链项目 Bitcoin Post-Quantum 也声称使用基于哈希状态的扩展默克尔签名方案（XMSS）来保护自己免受量子计算攻击。BPQ 是比特币区块链的一个实验分支，它使用量子安全数字签名而不是传统加密。在未来几年，BPQ 进行的研究可能会成为将抗量子加密引入比特币主网络的基础。与 QRL 不同的是，BPQ 目前处于研究阶段，其计划中的货币 BitcoinPQ 尚未被开采。

6. 量子计算和区块链的未来是什么？

量子计算和区块链的未来仍然未知，而这个最终的答案可能是计算机科学未来的决定性因素之一。区块链帮助互联网民主化，创造了加密货币，并以比特币和以太坊等流行区块链的形式创建了世界上最大的分布式计算机网络。

相比之下，仍处于早期阶段的量子计算有可能帮助我们解决更具影响力的科技问题，并以我们无法预见的方式推进技术。如果量子计算和区块链发生碰撞，那可能是一场史诗般的灾难。相反，如果密码学继续发展，能够创建越来越多的抗量子加密方法，或者如果将量子加密本身集成到区块链中，这些技术的结合将有助于创建一个更加安全和民主化的互联网，从而产生积极的影响。对世界的影响。

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